深埋长距离TBM隧洞通风设计方法与应用

深埋长距离TBM隧洞通风设计方法与应用

史晋华

（山西省水利建筑工程集团有限公司 山西太原 030000）

摘要：目前在实际工程实践中出现了许多超长TBM隧洞。在建设过程中，通风是隧道建设得以顺利进行的重要保障。由于TBM隧洞距离长、风阻大，同时，由于TBM自身通风设计需求，在实际设计施工中面临许多问题。本文基于新疆某超长TBM隧洞，详细介绍了其通风系统设计、通风参数计算、通风设备选型、通风效果等，为超长TBM隧洞的通风系统设计和选型提供了参考依据。

关键词：TBM隧洞；长距离；通风

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引言

施工通风是隧道施工的重要保障，也是长距离隧道施工安全的关键。合理的通风系统、理想的通风效果是实现隧洞快速施工、保障施工安全和施工人员身心健康的重要保证。

目前针对超长隧洞的通风设计已经有许多新颖的设计方案：蔡厚强等[1]针对乐红特长隧洞，采用分段纵向式通风方式，并根据交通量的不同制定了相应的通风系统运营策略。田艳秋等[2]结合某超长隧道通风计算过程，对其通风系统不同设计和选型方案进行了技术经济对比，并据此提出了通风过程中应采取的措施和安全管理规定。杨磐石等[3]采用数值模拟方法对比分析了独头压入式、风机接力式和风仓接力式3种通风方案的优劣。王祺等[4]依托上海市青草沙水源地工程实际情况，建立计算机管理软件分析系统，分析通风系统的薄弱环节并针对性采取措施。

目前针对超长隧道通风系统设计、优化等已经有许多研究。但是针对超长TBM隧洞，其通风系统设计需考虑TBM自身的通风需求。本文以某深埋长距离TBM隧洞为例，介绍其通风方法及应用效果，以期为类似工程提供参考。

1. 工程背景

某TBM主洞长度41.0km，采用2台TBM施工（TBM9，TBM10）（见图1）。TBM9洞段长度20.635km，开挖洞径7.0m。TBM10洞段长度19.635km，开挖洞径7.0m。组装洞长度730m，组装洞中间位置有支洞，与地面相连，支洞长度6440m。另外，布置有F5通风竖井和F6通风竖井，距组装洞分别为7580m和7332m，内径3.5m，布置在主洞右侧，井深分别为715m和640m。井底布置风机硐室，硐室轴线垂直于主洞轴线，洞身净断面6×6.42m，城门洞型，洞长17m，采用钢筋混凝土衬砌支护。通风竖井在主洞完建后作为永久通风井保留。

通风设计方案遵循以下原则：

（1）洞内空气含氧量不应少于20％，有害气体（物质）浓度不能超标。

（2）依据地下工程相关规范及合同条款，隧洞人员每人所需新鲜空气的不小于3m3/min。采用内燃机作业时，供风量不应小于4m3/（min·kw）。

（3）隧洞施工通风的风速，工作面附近的最小风速不应小于0.15 m/s，最大风速应不大于4 m/s，考虑隧道内人员作业环境、隧道TBM施工等要求，TBM施工洞内最小风速取0.5m/s。

图1 隧洞布置方案

2. 通风方案
   1. 通风方式选择

根据类似工程TBM施工经验表明，长大隧洞对通风要求极高，且难度大，实际工程多采用机械式通风。机械通风的基本布置形式有压入式、抽出式和混合式三种。为保证施工通风，在主洞上游和下游分别设立F5、F6通风竖井各一座，鉴于本工程隧洞深埋长大，对比分析三种通风方式的优缺点（见表1）进行优选，考虑成本及实用性，结合TBM掘进及辅助工序开展时，在有大量粉尘、有害气体的情况下，需要采用压入式向隧洞内送入新鲜空气，保证工作面有充足的新鲜空气，以迅速冲淡有害气体含量，故选用隧洞施工常用且通风效率高的压入式送风方式。

2.2不同施工阶段通风方案

隧洞独头掘进长，通风难度较大，根据总体施工方案安排，将隧洞施工期间通风分为二个阶段。

TBM9、TBM10过竖井前：施工通风采用压入式通风，TBM9通风距离长度为14136m（支洞6243.728m，主洞7873m，风机进风口距洞口距离20m）,TBM10通风距离13690m （支洞6243.728m，主洞7427m，风机进风口距洞口距离20m）,在支洞口设置两套轴流风机，通过风管将新鲜空气分别送到TBM后配套尾部，然后由TBM设备上配备的二次通风系统完成通风作业。具体的断面风速、风机功率可通过理论计算来确定，保证隧洞断面风速不小于0.5m/s。

表1三种机械通风方式的优缺点

TBM9、TBM10过竖井后：TBM9通风距离长度为13127m，TBM10为12573m。TBM9、TBM10施工至F5、F6竖井之后，将各自的风机转场至通风竖井的风机硐室内，通过风管将新鲜空气分别送到TBM后配套尾部，然后由TBM设备上配备的二次通风系统完成通风作业。若竖井与主洞段通风产生回流，在风机洞室内安装风门，风门上只预留风筒位置，阻止竖井与主洞段的通风产生回流。

3. 通风设计
   1. TBM9、TBM10施工通风计算

TBM9施工段通风计算以最长通风距离（即第一阶段施工通风14.136km）计算，需要计算的参数为隧洞施工需风量、工作面回风速度需风量、风机出口风量、风机总风压。根据《水工建筑物地下开挖工程施工规范》（SL378-2007），确定部分参数，如表2所示。

风量计算从三个方面考虑，具体为按洞内最多工作人数Q人、按洞内允许最小回风风速Q风、按稀释内燃机车废气稀释风量Q机，通过计算取并取Q需=MAX（Q风+Q人+Q机）作为隧洞控制风量。根据计算结果，洞内最大需风量Q需为1260m3/min（21m3/s）。考虑风筒每百米漏风率0.15%，系统风筒漏风系数为1.27，风机供风量应为26.67 m3/s，即1600 m3/min。

通风系统克服通风阻力后在风筒末端风流具有一定的动压，克服阻力则取决于系统静压，动压与静压之和为系统所需风压。根据表2参数表，动压为18.96 Pa。采用Ф2200mmPVC拉链式软风筒，摩擦阻力系数α值取0.0025Ns2/m4，系统静压为2741.54 Pa，系统风压为2760.50Pa。

表2隧洞通风计算参数一览表

由于现场实际通风中风机效率不能达到100%，取85%；为保证安全风机效率需要一定的冗余，取1.15的功率储备系数。风机功率为99.6kw。

根据施工距离及出渣方式，同时考虑经济合理，本工程TBM9通风轴流风机选取T2.140.2×75.4通风机，风筒选择便于装卸和维修的Ф2200mmPVC拉链式软风筒。

同样的计算方法，TBM10施工风机需要提供不低于2674.25Pa的风压和1600m3/min （26.67m³/s）的风量，功率不低于96.5kW。TBM10通风轴流风机选取T2.160.2×200.4通风机，风筒同样选择Ф2200mmPVC拉链式软风筒。

3.2TBM设备通风

TBM设备通风由TBM二次通风系统和除尘系统组成。

二次通风系统主要由二次风机和风筒组成新鲜空气由洞外通过一次风机送至后配套尾部风筒存储器，经过二次风机压入输送至TBM前部工作区域，隧洞回风则由除尘风机带走部分，其余污风通过除尘风机的负压和二次风机的正压形成空气对流循环，后配套尾部回风速度0.5m/s，新鲜空气循环置换污风并由隧洞排送至洞外。TBM二次通风系统参数表见表3：

TBM除尘系统由干式除尘器、除尘风机、清灰系统等组成。除尘器通过除尘风筒抽取刀盘内带粉尘的空气，经过除尘器过滤后，干净的空气到后配套尾部，粉尘则留在除尘器内，通过清灰系统排放至皮带机。

表 3   TBM二次通风系统参数表

4. 应用效果分析

通风系统主要是维持工作面氧气含量、吹出施工造成的粉尘保证能见度。因此，通风系统的应用效果主要应从以上两个方面进行评估。

工作面能见度如图2所示。从图中可以看出，在施工过程中工作面能见度超过10m，空气中粉尘含量较少，满足工作人员施工和呼气要求。

图2 工作面施工图

为实时监测空气中各种成分含量，对工作面空气成分进行了检测，检测结果如表4和图3所示。

表4 空气含量检测结果

图3 空气含量检测结果

5. 结论

综合以上分析，可以得到以下结论：

（1）超长TBM隧道通风系统设计由于其风阻较大，需风量较大，可以采用多级通风设计，在隧洞半途中钻设通风竖井。

（2）超长TBM隧洞通风系统可以采用二级或者多级通风设计，通过多级送风，保证工作面的新鲜送风。

工程应用表明，本通风设计方法可以保证为TBM工作面输送充足、洁净的氧气，满足工程要求。

参考文献

[1]蔡厚强,王建,任光远,袁枫斌.乐红特长隧道通风系统设计及运营优化研究[J].路基工程,2022(02):179-182.

[2]田艳秋,杨胜强,李小玉,黄瑞玲.超长隧道掘进过程中的通风技术研究[J].能源技术与管理,2010(01):40-42.

[3]杨磐石,刘畅,罗刚.超长公路隧道斜井及正洞通风方案优化研究[J].中外公路,2022,42(01):187-192.

[4]王祺,杨胜强,王寿鹤,田艳秋,鹿存荣.计算机管理软件分析系统在隧道通风中应用[J].能源技术与管理,2010(04):133-134.

作者简介：史晋华，男，1982年8月，中级工程师，主要从事水利水电工程施工方面的工作